土體黏聚力和內摩擦角對SPP管樁豎向承載性狀的影響

劉東輝 張竹軍 翟 蓮 楊瑩瑩 金玉杰 蔡婧娓

1吉林建筑大學土木工程學院（130118）2中建八局發展建設有限公司（130118）

0 引言

樁基所承受的上部豎向荷載最終都傳遞到樁周土體上，樁-土的相互作用直接影響到樁基的受力和變形性能。但巖土介質的力學性質是非常復雜的，巖土的很多因素都會對其應力、應變和變形產生直接影響，要獲得理論解是相當困難的，因此利用有限元分析軟件模擬實際情況，研究樁基的承載性狀有重要意義。文章運用ANSYS軟件通過模型建模、網格劃分、分析計算、后處理等流程對SPP樁進行分析。

1 樁、樁周土體材料本構關系模型

基于對樁身材料和土體材料的受力變形性能認識，樁的剛度較大，土體的剛度較小，土體先于樁身發生破壞，樁基承載的極限狀態大多由樁周土體的變形及破壞所決定，故樁身混凝土材料很少發生強度破壞[1]。因而，對樁身材料采用線彈性模型；樁身混凝土單元類型采用3D實體單元的Solid65[2]。文章采用Drucker等人在莫爾－庫侖屈服準則基礎上提出的德魯克－普拉格屈服準則，土體的單元類型用的是Solid65的3D實體單元；土體的本構關系選取了理想彈塑性模型。

2 模型建立

2.1 參數設置

文章研究不考慮擠土效應影響，土體的泊松比一般采用對分析結果產生微小影響的0.3～0.4范圍內任一值[3]，文章取0.35。為研究樁周土黏聚力和內摩擦角對SPP管樁豎向承載性狀的影響，根據樁周土參數不同可以劃分為表1所列工況，當研究不同黏聚力對SPP管樁豎向承載性狀的影響時，內摩擦角取10°，當研究不同內摩擦角對SPP管樁豎向承載性狀的影響時，黏聚力取40MPa。

2.2 模型尺寸設置

本次模擬選取的模型尺寸是樁身長度為15 m，樁徑為0.6m，壁厚0.11m，以上尺寸屬于相同變量；不同變量是土體的黏聚力和內摩擦角，具體數值見表1。SPP樁自距樁端2m向上設置3層側肢，每層4個，呈十字形沿樁身對稱布置，層間凈距2 m，側肢尺寸均為230mm×100mm×70mm（如圖1所示，其中寬度100mm為弧線尺寸），即張壓后伸出樁身長度為120mm。

表1 樁與樁周土計算參數及計算工況

圖1 側肢尺寸圖

2.3 網格劃分

一般認為，沿徑向約十倍樁徑范圍之外的樁周土體幾乎不受影響[4]，為考察側肢存在對土體的作用，土層寬度從樁中心算起取9m，下部土層厚度從樁端算起取為1倍樁長，即土體厚度30m。土體模型下邊界可按三向約束處理，側面約束水平方向位移。由基本假定兩種樁型的樁-土均為軸對稱共同工作，為縮短ANSYS軟件運行時間分別對二者選取1/4對稱結構進行分析，兩個剖切面上設置法向約束，將三維問題轉化為軸對稱問題，如圖2所示。

圖2 樁-土網格劃分圖

3 有限元分析結果

本節將以側肢間距為2m，側肢層數為3層的模型樁來研究土體的黏聚力和內摩擦角對其豎向承載性狀的影響。

3.1 土體黏聚力的影響

保持樁側土體其它參數不變，土體黏聚力分別取值為10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa，對應的 樁 名 稱 分 別 為SPP10、SPP20、SPP30、SPP40、SPP50，名稱后邊的數字代表黏聚力的數值。黏聚力的改變對SPP管樁樁頂沉降及樁的側摩阻力的影響如圖3和圖4所示。

圖3 不同土體黏聚力對應的Q-s曲線

圖4 不同土體黏聚力對側摩阻力的影響

由圖3表明，當樁身和土層等的參數不變，樁頂荷載小于2000kN時，各樁的Q-s曲線變化趨勢基本相同，且基本上成線性變化，說明此時土的黏聚力的變化對樁頂沉降影響不大，樁周土仍處于彈性變形階段。隨著荷載繼續增加，樁頂沉降隨黏聚力的增大而減小，說明樁的豎向承載力得到提高。當樁頂豎向荷載達到極限荷載3550kN時，不同土體黏聚力所對應的樁頂沉降量分別為48.47mm、42.41mm、39.82mm、37.23mm、36.12mm，顯然土體黏聚力大小對SPP管樁的承載性能具有明顯影響，但黏聚力從10kPa變為20kPa時，樁頂沉降量減小最明顯，粘聚力再變大，樁頂沉降量減小幅度變小，說明20kPa的黏聚力在提高單樁豎向荷載承載力方面效果最好。

圖4顯示，模型的側摩阻力變化分為樁身部分和側肢部分。不同土體黏聚力對樁側部分的側摩阻力的影響很小，5條線幾乎重合，只有側肢底部的側摩阻力因土體黏聚力的不同略微有所改變。結合Q-s曲線可以推斷，土體黏聚力對SPP管樁的影響主要體現在樁端土處，而且受荷載傳遞規律影響側摩阻力隨外荷載的增加逐步發揮作用。

3.2 土體內摩擦角的影響

保持樁側土體其它參數不變，土體內摩擦角分別取值為10°、20°、30°，對應的樁名稱分別是SPP1、SPP2、SPP3，名稱后邊的數字代表內摩擦角分別為10°、20°、30°。土體內摩擦角的改變對SPP管樁樁頂沉降及樁側摩阻力的影響如圖5和圖6所示。

圖5 不同土體內摩擦角對應的Q-s曲線

圖6 不同土體內摩擦角對側摩阻力的影響

圖5顯示，曲線分為三部分:第一部分是荷載在0kN～1500kN，三條曲線幾乎重合，說明加載初期，內摩擦角對SPPS管樁樁頂位移的影響不大。第二部分是樁頂豎向荷載隨處于1500kN～2800kN之間，三條曲線逐漸分離且樁頂沉降量隨著內摩擦角的增加而增大，說明隨著荷載的增加，內摩擦角對樁頂沉降量的影響變大；第三部分是樁頂豎向荷載在2800kN到極限荷載之間，樁頂沉降量隨內摩擦角的增加而逐漸減小，接近豎向極限荷載3550kN時，樁頂沉降已經隨內摩擦角的增加而減小。圖5中顯示，內摩擦角為10°的Q-s曲線在豎向荷載為2800kN時有明顯的拐點，土的塑性性狀表現比較突出，豎向極限承載力水平相對較低；當土體內摩擦角大于20°時，隨著內摩擦角的增大，SPP管樁的豎向極限承載力得到了較大的提高，但各曲線變化幅度并不大。當豎向荷載達到3550kN時，內摩擦角為10°、20°、30°對應的的樁頂沉降量分別為49.00mm、42.00mm、40mm，由此得出SPP管樁樁頂沉降量隨內摩擦角變大而減小，說明豎向極限承載力隨內摩擦角的增大而增大。

圖6表明，對側摩阻力的研究分為樁身側摩阻力和側肢下部側摩阻力兩部分。樁身部分的側摩阻力隨著土體內摩擦角的增大而減小，但是變化幅度不大，接近樁底位置處，土體的端阻力增大到最大值，然后開始變小直至減小為零。側肢位置越往下，其底部土體的端阻力越大。由此說明，側肢底部土體端阻力及樁端阻力對SPP管樁的豎向極限承載力的增加貢獻較大。